離子液體對(duì)蛋白酶羊毛防氈縮整理效果的影響

單思佳，沈加加，張煥俠

(嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，浙江嘉興 314000)

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離子液體對(duì)蛋白酶羊毛防氈縮整理效果的影響

單思佳，沈加加，張煥俠

(嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，浙江嘉興 314000)

基于離子液體對(duì)羊毛的溶脹性能和蛋白酶的催化性能，本文將離子液體應(yīng)用于蛋白酶的防氈縮整理，用于獲得更高效的防氈縮整理方法。先研究了三種離子液體(HEMIM-[N(SO2CF3)2]，[Emim]Br和[Emim]Ac)對(duì)SAV蛋白酶催化性能的影響。結(jié)果表明：在45℃長(zhǎng)時(shí)間保溫的條件下，[Emim]Br和[Emim]Ac有利于促進(jìn)SAV蛋白酶的活性和熱穩(wěn)定性，其中[Emim]Br能使SAV蛋白酶的活性提高25%。最后將催化效果最好的[Emim]Br作為SAV蛋白酶整理的催化劑，研究其對(duì)防氈縮整理效果的影響，實(shí)驗(yàn)表明離子液體對(duì)SAV蛋白酶羊毛防氈縮整理具有催化效果，是酶處理羊毛防氈縮整理中較為理想的反應(yīng)介質(zhì)。

防氈縮 SAV蛋白酶 離子液體 酶活 催化

0 前言

工業(yè)上廣泛應(yīng)用的羊毛防氈縮方法是氯化赫克塞特整理(Chlorine-Hercosett)，雖然具有優(yōu)異的防氈縮效果，但廢水排放中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)氯(AOX)污染，不符合目前的環(huán)保要求[1-2]。因此，無氯防氈縮技術(shù)一直是研究的主要方向，其中，生物酶具有綠色催化特性，被認(rèn)為是最有潛力的替代氯化法的一種新型方法，但由于羊毛纖維表面被高度交聯(lián)的鱗片角質(zhì)層覆蓋，導(dǎo)致蛋白酶分子對(duì)羊毛鱗片的實(shí)際水解效率較低[3-4]。僅用蛋白酶處理羊毛時(shí)，很難引起羊毛鱗片層的有效降解，所以蛋白酶與其他反應(yīng)介質(zhì)協(xié)同作用對(duì)羊毛防氈縮整理的研究受到廣泛關(guān)注[5]。

隨著科技的不斷發(fā)展，離子液體(ionic liquid)受到了越來越多的關(guān)注。離子液體是由有機(jī)陽(yáng)離子和無機(jī)/有機(jī)陰離子構(gòu)成的，在室溫或者室溫附近溫度下成液體狀態(tài)的鹽類[6-8]。與普通有機(jī)溶劑相比，離子液體具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)種類繁多，可選擇性高；(2)不易揮發(fā)，在常溫下無色、無味、無毒，對(duì)環(huán)境友好，使用安全；(3)具有可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)其對(duì)物質(zhì)的溶解性需要更改陰陽(yáng)離子的組合[9]；(4)不易分解，化學(xué)穩(wěn)定性較好；(5)與部分有機(jī)溶劑互不相溶，能使催化產(chǎn)物易于提純并容易分離；(6)酶在離子液體中會(huì)具有更高的化學(xué)、區(qū)域和立體選擇性[10]。

基于離子液體對(duì)羊毛的溶脹性能和蛋白酶的催化性能，本文將離子液體應(yīng)用于蛋白酶的防氈縮整理，用于獲得更高效的防氈縮整理方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

材料：澳毛(70S，浙江新澳毛紡股份有限公司)；SAV蛋白酶(8.0T，諾維信公司)

試劑：磷酸二氫鈉(分析純)；磷酸氫二鈉(分析純)；無水碳酸鈉(分析純)；冰醋酸(分析純)；福林試劑(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；三氯醋酸(分析純)；濃鹽酸(鹽酸濃度為37%)；氫氧化鈉(分析純)；溴化1-乙基-3-甲基咪唑[Emim]Br，1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽[Emim]Ac，1-羥乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲烷磺酰亞胺鹽HEMIM-[N(SO2CF3)2](上海成捷化學(xué)有限公司，純度均為99%)。

1.2 羊毛防氈縮整理工藝

SAV蛋白酶整理：羊毛1g，Savinase酶用量4%(o.w.f)，浴比1：30，處理時(shí)間60min/120min，pH=8，溫度為45℃。

離子液體處理(含0.2mol/L離子液體的磷酸緩沖液，pH=8，浴比1：30)

聯(lián)合處理：先在含有離子液體的8%的緩沖液中處理10分鐘，再加入8%蛋白酶處理50min。

酶失活：在溫度為80oC的高溫水浴中處理10min，使SAV蛋白酶失活。

對(duì)上述各方法處理后的樣品分別記為：IL(單獨(dú)離子液體處理樣)、Ps(單獨(dú)蛋白酶處理樣)、IL+Ps(離子液體與蛋白酶聯(lián)合處理樣)。

性能測(cè)試：50-60oC溫度下烘干，在溫度20±3oC、相對(duì)濕度(65±5)%條件下平衡24h后用于性能測(cè)試。

1.3 離子液體對(duì)蛋白酶活性和熱穩(wěn)定性的影響

1.3.1 蛋白酶活性測(cè)定

取1ml濃度為2mg/mL的SAV蛋白酶酶液和1ml的1% 酪蛋白溶液加入到3ml不含離子液體的磷酸緩沖液和3ml其他三種含0.2mol/L離子液體的磷酸緩沖液中，在40oC保溫15min，終止反應(yīng)，加入福林試劑，在40oC下保溫15min后用分光光度計(jì)測(cè)定其在680nm處的吸光度，并按照公式1換算為酶活[11-13]。

1.3.2 蛋白酶熱穩(wěn)定性測(cè)定

在100 mL具塞三角瓶中分別加入25 mL不含離子液體的磷酸緩沖液和含0.2 mol/L離子液體的磷酸緩沖液和25mgSAV蛋白酶(蛋白酶液濃度為1mg/mL)，分別于35℃、40℃、45℃、50℃和60℃下保溫，定時(shí)取1mL酶液按照福林法測(cè)定此時(shí)SAV蛋白酶在40oC的吸光度，并按照公式1-1換算為酶活[14-16]。

本實(shí)驗(yàn)中SAV蛋白酶活力單位的計(jì)算：

每克SAV蛋白酶的活力單位=m / t×f1×f2……

式中：m——樣品所測(cè)定的吸光度經(jīng)查標(biāo)準(zhǔn)曲線求得的酪氨酸量(μg)；

t——酶促反應(yīng)的時(shí)間(min)；

f1——酶的稀釋倍數(shù)；

f2——福林法測(cè)酶活時(shí)酶液的稀釋倍數(shù)[17-18]。

注：1gSAV蛋白酶在pH=8.0，40oC條件下，每分鐘水解酪蛋白能產(chǎn)生1μg酪氨酸定為一個(gè)酶活力單位。

1.4 離子液體-SAV蛋白酶整理對(duì)羊毛表面鱗片層的影響

利用掃描電鏡觀察處理后的羊毛表面鱗片層的變化，以分析不同工藝防氈縮處理的效果。

1.5 不同催化工藝對(duì)羊毛性能的影響

1.5.1 單纖維強(qiáng)力測(cè)試

根據(jù)GB4711-84《羊毛單纖維斷裂強(qiáng)力和伸長(zhǎng)試驗(yàn)方法》，用LLY-06A型電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)試斷裂強(qiáng)力，試樣夾距為10mm，拉伸速度設(shè)置10 mm/min，每個(gè)試樣測(cè)定30個(gè)數(shù)據(jù)，求平均值。

1.5.2 氈縮球體積測(cè)試

先按照IWTO-20-04《散毛和毛條防氈縮性能的測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》制備好的0.4g球狀羊毛試樣。然后放入不銹鋼容器中，倒入50mL洗滌溶液，旋緊不銹鋼容器的蓋子，將其放在紅外染色機(jī)上，在40oC水浴中運(yùn)30min。最后取出試樣用烘箱烘干(溫度105oC，時(shí)間2h)，觀察其橢圓形狀的大小并記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子液體對(duì)蛋白酶活性和熱穩(wěn)定性的影響

按1.2的方法計(jì)算酶活力大小，得到不同實(shí)驗(yàn)條件下酶活力如表1所示。

表1 不同實(shí)驗(yàn)條件下酶活力

從表1可以看出不同離子液體對(duì)SAV蛋白酶的活性都有一定的影響。HEMIM-[N(SO2CF3)2]使SAV蛋白酶的活性降低了29%，[Emim]Br使SAV蛋白酶的活性提高了25%，[Emim]Ac使SAV蛋白酶的活性提高了18%。

按1.2的方法計(jì)算酶活大小，得到不同實(shí)驗(yàn)條件下的蛋白酶的殘余活性如圖1所示。

(a)無離子液體對(duì)SAV蛋白酶活性的影響

(b)HEMIM-[N(SO2CF3)2]對(duì)SAV蛋白酶活性的影響

(c)不同溫度下[Emim]Br對(duì)SAV蛋白酶活性的影響

(d)不同溫度下[Emim]Ac對(duì)SAV蛋白酶活性的影響

以殘余活性A(該條件下酶活力與酶原始活力之比)，對(duì)時(shí)間t/h用軟件Origin7.5作圖，酶的失活過程可以看作是兩步失活動(dòng)力學(xué)過程，用Marquardt Levenberg雙指數(shù)四參數(shù)模型A=α1exp (k1t) +α2exp (k2t)進(jìn)行擬合可得到失活速率常數(shù)k1和k2，因?yàn)閗2的數(shù)值較小并低于k11～2個(gè)數(shù)量級(jí)且大部分情況為0，可以忽略k2求出半衰期t1/2。將圖2-a的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以算出SAV蛋白酶在不同溫度下的半衰期，從而得到其在不同溫度下的熱穩(wěn)定性，如表2所示。

表2 不同溫度下SAV蛋白酶的半衰期

注：HEMIM-[N(SO2CF3)2]中SAV蛋白酶酶在60oC中保溫5分鐘就失去近90%活性，該溫度下半衰期小于5分鐘。

由表2可以得出：

(1)溫度越高，HEMIM-[N(SO2CF3)2]中SAV蛋白酶的半衰期越短，即[Emim]TF2N會(huì)使SAV蛋白酶熱穩(wěn)定性變差。在35℃、40℃、45℃和50℃的條件下，HEMIM-[N(SO2CF3)2]使SAV蛋白酶半衰期分別降低了51%，54%，67%，79%，在60 ℃的條件下，HEMIM-[N(SO2CF3)2]使SAV蛋白酶極其容易失活。

(2)在35℃、40℃、50℃和60℃的條件下，[Emim]Br均使SAV蛋白酶的半衰期分別降低了42%，18%，2%，46%；但是在45℃的條件下，[Emim]Br使SAV蛋白酶的半衰期增加了34%。由此可以得出，45℃是[Emim]Br對(duì)SAV蛋白酶進(jìn)行處理的適宜溫度，并且45℃時(shí)SAV蛋白酶的活性也較高。即在45℃時(shí)，[Emim]Br能使SAV蛋白酶熱穩(wěn)定性提高。

(3)在35℃、40℃和50℃的條件下，EminAc均使SAV蛋白酶的半衰期分別降低了25%，27%，22%；在45℃和60℃的條件下，EmimAc使SAV蛋白酶的半衰期增加了48%和22%。由此得出，45和60℃下，[Emim]Ac會(huì)提高SAV蛋白酶的熱穩(wěn)定性。

2.3 離子液體-SAV蛋白酶整理

2.3.1 不同催化工藝對(duì)羊毛表面鱗片層的影響

選用上述能使SAV蛋白酶活性提高最高的[Emim]Br，按1.2的方法進(jìn)行整理，利用掃描電鏡觀察處理后的羊毛表面鱗片層的變化，以分析不同工藝防氈縮處理的效果，如圖2所示。

(a)羊毛原毛 (b)Ps

(c)IL (d)IL+Ps

由圖2 可知，與未經(jīng)處理的原毛對(duì)比，(b)蛋白酶單獨(dú)處理的羊毛纖維表面鱗片層有部分剝離，但是非常不均勻，對(duì)羊毛強(qiáng)力損傷較大；(c)離子液體單獨(dú)處理的羊毛雖然也存在鱗片層部分剝離，但是去除程度較低且不均勻，而(d)離子液體預(yù)先處理工藝的羊毛纖維表面鱗片層去除程度較高，且剝離均勻?？赡苁请x子液體的引入，能使蛋白酶充分的分散在離子液體中，不易產(chǎn)生局部催化效應(yīng)，均勻的處理羊毛表面。同時(shí)，離子液體預(yù)先處理羊毛，首先能溶脹羊毛纖維，提高鱗片層的親水性，使羊毛類脂層下的蛋白質(zhì)外露，促進(jìn)蛋白酶對(duì)羊毛的水解作用，其次也能增加生物酶的活性、熱穩(wěn)定性，使纖維的鱗片層得到較大程度破壞，提高羊毛防氈縮性能。

2.3.2 不同催化工藝對(duì)羊毛性能的影響

選用上述能使SAV蛋白酶活性提高最高的[Emim]Br，按1.2的方法進(jìn)行整理，研究離子液體的加入對(duì)羊毛性能的影響，如表3所示。

表3 不同催化工藝對(duì)羊毛性能的影響

由表3可知，在不同的催化工藝中，離子液體與蛋白酶聯(lián)合處理的羊毛的氈縮球體積最大，為7.76cm3，說明離子液體預(yù)先處理過后，蛋白酶對(duì)羊毛表面的鱗片作用較大，使得氈縮性降低，氈縮球體積較大。在不同的催化工藝中，蛋白酶單獨(dú)處理的羊毛強(qiáng)力損傷比較嚴(yán)重，強(qiáng)力保留率只有86.0%，離子液體單獨(dú)處理及聯(lián)合處理的斷裂強(qiáng)力相差不大，強(qiáng)力保留率在95%左右。蛋白酶單獨(dú)處理羊毛的斷裂強(qiáng)力下降比較多的原因可能是因?yàn)榈鞍酌覆荒艹浞值姆稚⒃陔x子液體中，易產(chǎn)生局部催化效應(yīng)，存在處理不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致拉伸時(shí)應(yīng)力會(huì)過于集中，斷裂強(qiáng)力比較小。

3 結(jié)論

通過此次實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)離子液體對(duì)SAV蛋白酶羊毛防氈縮整理具有催化效果，是酶處理羊毛防氈縮整理中較為理想的反應(yīng)介質(zhì)。與傳統(tǒng)溶劑相比，離子液體具有溶解能力強(qiáng)、揮發(fā)度低、不易燃、無毒、易回收等特點(diǎn)。而蛋白酶處理具有高效性、節(jié)約能源以及減少污染等特點(diǎn)。因此，將兩者結(jié)合起來，共同應(yīng)用于羊毛防氈縮整理中，不僅可以提升蛋白酶對(duì)羊毛的水解效果，而且可以降低傳統(tǒng)氯化預(yù)處理對(duì)環(huán)境的危害，實(shí)現(xiàn)羊毛的生態(tài)加工，作為一種比較環(huán)保的防縮整理方法，這可能成為今后羊毛防氈縮整理的發(fā)展方向。

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Influence of Ionic Liquid on Wool Anti-felting Finishing Effect with SAV Protease

SHANSi-jia,SHENJia-jia,ZHANGHuan-xia

(Jiaxing University,Jiaxing 314001)

Based on the swelling property and catalytic performance of ionic liquid on wool,the ionic liquid was applied to the anti-felting finishing of protease in order to acquire more efficient anti-felting finishing method. The influence of three kinds of ionic liquid (HEMIM-[N(SO2CF3)2]，[Emim]Br and [Emim]Ac) on catalytic performance of SAV protease was studied. The results showed that [Emim]Br and [Emim]Ac were helpful to promote the activity and thermal stability of SAV protease at 45℃,and [Emim]Br could improve the activity of SAV protease by 25%. The influence of [Emim]Br on wool anti-felting finishing effect was studied by taking [Emim]Br with best catalytic effect as catalyst for SAV protease finishing. The experiment results displayed that ionic liquid had catalytic effect on wool anti-felting finishing with SAV protease,which was the ideal reaction medium when enzyme was used to treat wool anti-felting finishing.

anti-felting SAV protease ionic liquid enzyme activity catalysis

2016-11-16

浙江省紗線材料成形與復(fù)合加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(MTC2014-002)

單思佳(1993-)，女，漢族，本科，研究方向：羊毛的綠色處理。

TS131.8

A

1008-5580(2017)02-0170-05